立式三層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)設(shè)計(jì)

蔣 旭 姜曉霜 厲彥忠

(1.中空能源設(shè)備有限公司；2.西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院)

冷凝蒸發(fā)器是空氣分離成套裝置的核心設(shè)備，它主要是將來(lái)自下塔的壓力氮?dú)饫淠?，上塔的液氧蒸發(fā)，載體為鋁制板翅式換熱單元[1]，該單元為連接上、下塔的重要裝置，其換熱面積的大小直接關(guān)系到換熱溫差的大小。當(dāng)主冷凝蒸發(fā)器的換熱面積小時(shí)，主冷凝蒸發(fā)器的運(yùn)行溫差大，下塔的工作壓力較高，致使空壓機(jī)排壓升高，運(yùn)行能耗增大；當(dāng)主冷凝蒸發(fā)器的換熱面積大時(shí)，下塔的工作壓力較低，致使空壓機(jī)排壓降低，運(yùn)行能耗減小。所以空分裝置中的冷凝蒸發(fā)器不僅影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還與裝置的氧、氮、氬等產(chǎn)品的能耗相關(guān)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

由于空分裝置正常運(yùn)行時(shí)冷凝蒸發(fā)器位于上塔下部與下塔上部之間，其殼體要與上塔和下塔相連接，所以要求直徑上不能相差太大。而冷凝蒸發(fā)器的殼體直徑?jīng)Q定所能容納板式單元的個(gè)數(shù)，由于受到換熱溫差的限制，板式單元的高度一般不能太高，否則會(huì)出現(xiàn)無(wú)效換熱面積，所以冷凝蒸發(fā)器換熱面積的增大只能通過(guò)增大殼體直徑或者增加板式單元的個(gè)數(shù)和層數(shù)來(lái)解決[2]。

從結(jié)構(gòu)形式上劃分，冷凝蒸發(fā)器主要有立式單層、立式雙層、臥式多列和降膜主冷4種類(lèi)型。其中立式單層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)只板式星型布置或者并列布置于殼體內(nèi)；立式雙層采用上下兩層結(jié)構(gòu)，通過(guò)溢流管與升氣管連接上下兩層；臥式多列結(jié)構(gòu)工作容量大，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在冷箱內(nèi)占據(jù)空間較大，配管難度較高，同時(shí)支撐只能設(shè)置在冷箱壁面，會(huì)使得運(yùn)行時(shí)其受到應(yīng)力較大；降膜主冷運(yùn)行溫差小，一般為0.6～0.8K，節(jié)省能耗較大，國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)發(fā)應(yīng)用，由于其在液體分配器和循環(huán)倍率的控制上難度較大，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解決。

在立式單層冷凝蒸發(fā)器內(nèi)，鋁制板式單元個(gè)數(shù)一般為1只、2只、4只或6只，星型主冷凝蒸發(fā)器的鋁制板式單元個(gè)數(shù)有3只或5只。多只板式單元的冷凝蒸發(fā)器其氮?dú)庖话阆扔煽偣芊至髦林Ч?，進(jìn)入板式單元液化后由支管匯集進(jìn)入總管，回流下塔。液氧自上塔進(jìn)入釜內(nèi)后，在板式單元內(nèi)氣化，受到重度差作用，不斷由下而上進(jìn)入板式單元，如此形成循環(huán)。單層主冷凝蒸發(fā)器受到其直徑的限制，一般只能滿(mǎn)足1.5萬(wàn)等級(jí)空分裝置的換熱面積要求。

立式雙層冷凝蒸發(fā)器采用上下兩層結(jié)構(gòu)，板式單元采用8只或12只布置，換熱面積較立式單層擴(kuò)大一倍。上下層之間設(shè)置液氧溢流管與氧氣升氣管，下塔的氮?dú)馀c液氮通過(guò)匯集管與支管分流到各板式單元，同時(shí)設(shè)置下部測(cè)滿(mǎn)管，頂部設(shè)置支撐架同上塔相連。

臥式多列為橫置多列的板式單元結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是解決了大型空分大換熱面積的要求，但是與上、下塔連接時(shí)管路較為復(fù)雜，且所占冷箱空間大、不緊湊。 筆者開(kāi)發(fā)的立式多層冷凝蒸發(fā)器采用多層化集成的理念，成倍擴(kuò)大了冷凝蒸發(fā)器的換熱面積，不僅解決了6～12萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備的冷凝蒸發(fā)器所需大面積換熱問(wèn)題，而且結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)化了塔的穩(wěn)定性，又解決了其工作容量的限制問(wèn)題，同時(shí)避免了臥式多列的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其他缺點(diǎn)，因此具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)潛力。

2 主要研發(fā)內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵

通過(guò)將冷凝蒸發(fā)器多層化，利用立式三層冷凝蒸發(fā)器大換熱面積的優(yōu)勢(shì)代替立式雙層冷凝蒸發(fā)器及臥式多列冷凝蒸發(fā)器。立式三層冷凝蒸發(fā)器研制項(xiàng)目的主要研發(fā)內(nèi)容為：

a. 研究立式三層冷凝蒸發(fā)器多層結(jié)構(gòu)，使其緊湊合理；

b. 計(jì)算氣相及液相的匯集管，使之分配均勻，流速控制在合理范圍內(nèi)；

c. 計(jì)算每層之間氣相空間的高度，使得間隔有足夠的可靠性；

d. 對(duì)多層冷凝蒸發(fā)器的內(nèi)部制造、廠內(nèi)安裝及檢驗(yàn)做出合理的工藝設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：

a. 應(yīng)用成熟軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)出口的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，最終確定準(zhǔn)確的分流管及匯集管直徑；

b. 應(yīng)用成熟軟件對(duì)內(nèi)部管路進(jìn)行合理安排，使得管路走向和應(yīng)力值在合理范圍；

c. 確保各層制造安裝逐層、逐步合格，使得多層化后制造工藝能實(shí)現(xiàn)。

3 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)

立式三層冷凝蒸發(fā)器(圖1)的工作原理為：

圖1 立式三層冷凝蒸發(fā)器

a. 氮?dú)饫淠ぷ骰芈贰５獨(dú)鈦?lái)自下塔，由于氮?dú)獾墓ぷ鲏毫Ω?，冷凝飽和點(diǎn)高，液氧工作壓力低，蒸發(fā)飽和點(diǎn)低，得以使氮?dú)饫淠?，液氧蒸發(fā)。氮?dú)庾缘獨(dú)膺M(jìn)氣管分流至各氮?dú)庵Ч埽M(jìn)入1～3層板式冷凝為液氮，由各個(gè)支管匯集至液氮回流匯集管后進(jìn)入下塔。

b. 液氧蒸發(fā)工作回路。液氧來(lái)自上塔，由循環(huán)液氧泵將上塔(位于地面)底部的液氧加壓送入冷凝蒸發(fā)器上部，經(jīng)過(guò)閃蒸槽氣液分離后，液氧進(jìn)入第一層冷凝蒸發(fā)器，當(dāng)?shù)谝粚永淠舭l(fā)器液氧液位高于板式頂部時(shí)，通過(guò)液氧溢流管溢流至第二層冷凝蒸發(fā)器，氧氣自板式空間上部抽出至氧氣匯集管；第二層液氧液位至板式高度后，溢流至第三層冷凝蒸發(fā)器，氧氣頂部抽出至氧氣匯集管；氧氣自氣相頂部抽出至氧氣匯集管；第三層主冷凝蒸發(fā)器，內(nèi)壓縮空分設(shè)備流程液氧自底部抽出[3]，氧氣頂部抽出至氧氣匯集管；外壓縮流程氧氣部分抽出[4]，其余進(jìn)入上塔，內(nèi)壓縮空分設(shè)備流程氧氣全部進(jìn)入上塔。

第三層冷凝蒸發(fā)器的液位與內(nèi)壓縮液氧泵系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖，保證冷凝蒸發(fā)器安全運(yùn)行。

釜式多層主冷凝蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)為組合板式結(jié)構(gòu)，對(duì)于6～10萬(wàn)等級(jí)可采用立式三層結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足了空分設(shè)備特大型化冷凝蒸發(fā)器換熱面積的要求。同時(shí)降低了空壓機(jī)排壓，節(jié)省了能耗。如果換熱面積不足，可以擴(kuò)展到更多層。該冷凝蒸發(fā)器是立式整體板式結(jié)構(gòu)(圖2)，液氧自液氧匯集管首先流入第一層的液氧釜，第一層的液氧釜滿(mǎn)后溢流入第二層，第二層滿(mǎn)后溢流入底部，其優(yōu)點(diǎn)是管路少，配管及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是每層直徑均需要有溢流間距(可以設(shè)置收集器)，否則液氧不能全部溢流至下一層。同時(shí)要兼顧氣相上升空間，還需要有一定的液氧持液量，這樣致使整體板式的截面不能做太大，一般層數(shù)不能做到超過(guò)4層，否則部分層液氧不足會(huì)發(fā)生干蒸現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)的氮?dú)鈧?cè)阻力會(huì)增大2～3倍，一定程度上致使空壓機(jī)排壓升高，增加了能耗，這也是其不可避免的缺點(diǎn)。該冷凝蒸發(fā)器是板翅式結(jié)構(gòu)，降膜主冷凝蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖3所示，液氧自液氧槽首先流過(guò)液氧槽底部的小孔，然后流過(guò)水平橫置于液氧通道的打孔翅片，這種翅片能促進(jìn)液氧槽內(nèi)的液氧均勻分布到液氧通道中，從而達(dá)到液氧均勻分布的效果。

圖2 立式三層整體板式結(jié)構(gòu)冷凝蒸發(fā)器

圖3 降膜主冷凝蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

4 產(chǎn)品實(shí)例對(duì)比

為了直觀地了解實(shí)用新型產(chǎn)品的性能優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)列舉一實(shí)例設(shè)計(jì)進(jìn)行性能對(duì)比。圖1是立式三層結(jié)構(gòu)，通過(guò)多層化后，使其對(duì)空氣流量的處理流量增加數(shù)倍。當(dāng)前一套1.5萬(wàn)制氧設(shè)備用的冷凝蒸發(fā)器，其設(shè)備的直徑為4 400mm，6只板式；一套6萬(wàn)制氧設(shè)備用的雙層冷凝蒸發(fā)器，其設(shè)備的直徑為4 400mm，12只板式。現(xiàn)將立式冷凝蒸發(fā)器的特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種結(jié)構(gòu)冷凝蒸發(fā)器應(yīng)用參數(shù)對(duì)比

由表1可知，立式三層可以滿(mǎn)足配套的空分裝置要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于立式單層和立式雙層冷凝蒸發(fā)器，采用氧氣管外伸結(jié)構(gòu)，可以使得殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，內(nèi)部安裝更為方便。獨(dú)特的液氧溢流管結(jié)構(gòu)，使得液氧自上而下流入下一層更為安全，同時(shí)第四層設(shè)置液氧液位與液氧泵系統(tǒng)聯(lián)鎖(內(nèi)壓縮空分設(shè)備流程同產(chǎn)品液氧泵系統(tǒng)聯(lián)鎖，外壓縮流程同循環(huán)液氧泵聯(lián)鎖)，使得液氧液位不低于板式高度的80%，保證裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

步入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)浮法玻璃、集成電子、冶金行業(yè)、石油化工及煤化工等行業(yè)的強(qiáng)勢(shì)崛起，使得我國(guó)氣體分離行業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段。特別是煤化工項(xiàng)目的集中發(fā)力，促使與其所配套的空分等級(jí)越來(lái)越大，一般均在6萬(wàn)等級(jí)以上，8～12萬(wàn)等級(jí)特大型空分裝置的市場(chǎng)需求頻頻出現(xiàn)，隨著設(shè)備性能及規(guī)格要求的不斷增加，主冷凝蒸發(fā)器已成為制約空分裝置特大型化的因素之一，而空分裝置的大型化發(fā)展已成必然趨勢(shì)。此次立式三層冷凝蒸發(fā)器的問(wèn)世，將會(huì)解決6萬(wàn)等級(jí)以上空分設(shè)備主冷凝蒸發(fā)器換熱面積不足的難題，為我國(guó)乃至世界氣體分離行業(yè)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

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